農(nóng)機用負載敏感系統(tǒng)故障分析及優(yōu)化仿真研究

張紹軍

(新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 新疆 昌吉831100)

0 引言

負載敏感系統(tǒng)具有效率高、功率損失小、能耗低等優(yōu)點，在薯類收獲機、插秧機等農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。采用將壓力補償閥設(shè)置在換向閥閥后的方法，可以避免LS負載敏感液壓系統(tǒng)在系統(tǒng)流量飽和的情況下造成最高負載端運動停止的情況，并且使各負載運動的速度按比例減小[4]。但如果系統(tǒng)中有工作支路卡死或者已運動到行程終點，LUDV系統(tǒng)控制功能同樣將失效。

鑒于此，本文在對兩者動態(tài)特性及故障分析基礎(chǔ)上，對LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了一種支路并聯(lián)壓力切斷閥的改進LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)。利用AMESim仿真軟件建立了LS、LUDV及改進后LUDV液壓系統(tǒng)仿真模型，通過對比分析的方法對3種系統(tǒng)的性能及故障進行仿真研究分析，所得結(jié)論為農(nóng)機負載敏感液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 液壓系統(tǒng)原理分析

閥前補償LS結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為：補償器置于操縱閥前，各支路的負載壓力反饋到各自的補償器，同時最大的負載壓力反饋到泵的 LS 口。則對于操作閥有

1—主閥芯；2—壓力補償器；3—閥體；4—梭閥；5—LS溢流閥；6、11—端蓋；7—減壓閥；8—左彈簧腔；9—帶補油功能的溢流；10—手柄；12—右彈簧腔；13—壓縮彈簧。

(PL-PC)A=F

(1)

(2)

式中：PL為操作閥進油口壓力；PC為操作閥出油口壓力；F為壓力補償閥彈簧力；A為壓力補償閥閥芯作用面積。

由式(1)可知，系統(tǒng)流量沒有達到飽和之前，不管負載怎么變化，操作閥兩端的壓力差值始終為定值。當(dāng)操縱閥開口面積不變時，通過閥的流量保持恒定；但當(dāng)系統(tǒng)流量達到飽和之后，補償閥兩端建立不起壓力，達不到壓力補償效果，進而失效。

閥后補償LUDV結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為：補償器置于操縱閥后，各支路的最大負載壓力反饋到各自的補償器和泵 LS 口。則對于操作閥有：

1、6—出口節(jié)流槽；2、3—進口節(jié)流槽；4—主閥芯；5—環(huán)形槽；7—先導(dǎo)壓力緩沖梭閥；8—行程限制器；9—二次溢流閥；10—負載保持閥；11—壓力補償器。

壓力補償器1、壓力補償器2的平衡條件分別為[4]

(Pn1-PL1)A1=FT1

(3)

(Pn2-PL2)A2=FT2

(4)

式中：FT1、FT2分別為壓力補償器1、壓力補償器2的彈簧力；A1、A2分別為壓力補償器1、壓力補償器2的閥心壓力作用面積。

又由于每一聯(lián)操縱換向閥的入口都是泵的工作壓力Pp，且出口油壓相等，所以，即使各執(zhí)行元件負載壓力不等，各操縱閥的進出口壓差都始終保持相等。但如果系統(tǒng)中有工作支路卡死或者已運動到行程終點，LUDV系統(tǒng)中壓力補償閥補償作用失效，系統(tǒng)控制功能失效。

2 建模仿真

2.1 模型建立

根據(jù)LS及LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)工作原理，利用AMESim軟件[5-7]建立系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 負載敏感液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)元件結(jié)構(gòu)參數(shù)及LS及LUDV負載敏感系統(tǒng)工作原理，設(shè)定AMESim各主要模塊的參數(shù)如表1，其他參數(shù)保持默認值。

表1 參數(shù)設(shè)置表

2.3 仿真分析

a)模型驗證分析

設(shè)定兩支路的輸入信號如圖4所示：0～10 s內(nèi)為-10，使兩換向閥的開度一致。

圖4 支路換向閥輸入信號曲線

設(shè)定支路1外加負載在10 s內(nèi)由0增加到15000N，支路2外加負載在10 s內(nèi)由0增加到2 500N。進行仿真，得到仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 支路1換向閥節(jié)流口流量及負載變化曲線

圖6 支路2換向閥節(jié)流口流量及負載變化曲線

由仿真結(jié)果圖5、圖6可知：支路1外加負載在10 s內(nèi)由0增加到15000N，經(jīng)過約1.9 s的時間支路流量達到最大值22.45 L/min;支路2外加負載在10 s內(nèi)由0增加到2 500N，經(jīng)過約1.9 s的時間支路流量達到最大值22.48 L/min。仿真結(jié)果表明，兩支路的流量大小與負載無關(guān)，只與系統(tǒng)中節(jié)流口開度有關(guān)。本文中設(shè)定兩換向閥節(jié)流口開度大小相同，得到的兩支路的流量基本一致，證明了所建立模型的正確性和精確性。

b)故障現(xiàn)象仿真分析

1)流量飽和故障設(shè)定仿真分析

設(shè)定系統(tǒng)液壓泵流量為15 L/min,模擬流量飽和故障工況，其他參數(shù)保持不變。仿真得到兩種負載敏感系統(tǒng)各支路流量變化曲線如圖7所示。流量飽和時LS負載敏感液壓系統(tǒng)各支路中負載大的支路1換向節(jié)流口流量為0.33 L/min，負載小的支路2回路流量為14.2 L/min。LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)各支路中負載大的支路1換向節(jié)流口流量為5.62 L/min,負載小的支路2回路流量為8.13 L/min。仿真結(jié)果表明：流量飽和時，LS負載敏感液壓系統(tǒng)中負載大的支路已經(jīng)停止，系統(tǒng)已經(jīng)喪失了其控制功能；而LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)各支路流量按比例減小。

圖7 流量飽和時兩種負載敏感系統(tǒng)各支路流量變化曲線

2)支路卡死故障設(shè)定仿真分析

設(shè)定系統(tǒng)中支路1換向閥輸入信號為40，模擬支路卡死故障工況，其他參數(shù)保持不變。仿真得到兩種負載敏感系統(tǒng)各支路流量變化曲線如圖8所示。支路1卡死時LS負載敏感液壓系統(tǒng)中液壓缸的速度為0.052 m/s。LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)中速度發(fā)生了突變，降低到0.038 m/s。仿真結(jié)果曲線表明某支路卡死時，LS負載敏感液壓系統(tǒng)中其他支路不受其影響，能繼續(xù)正常運行，而LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)其他支路系統(tǒng)流量發(fā)生突變，進而影響支路執(zhí)行元件的速度，系統(tǒng)控制性能下降，易發(fā)生生產(chǎn)事故。

圖8 兩種負載敏感系統(tǒng)液壓缸速度變化曲線

c)優(yōu)化設(shè)計仿真分析

在對兩者動態(tài)特性及故障分析基礎(chǔ)上，對LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，提出了一種支路并聯(lián)壓力切斷閥的改進LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)并建立了仿真模型，如圖9所示。

圖9 改進后閥后補償LUDV系統(tǒng)仿真模型

設(shè)定系統(tǒng)中支路1換向閥輸入信號為40，模擬支路卡死故障工況，并聯(lián)壓力切斷閥設(shè)定的壓力為20MPa，其他參數(shù)保持不變。仿真得到改進前后LUDV負載敏感系統(tǒng)各支路速度變化曲線如圖10所示。改進前LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)中速度發(fā)生了突變，降低到0.038 m/s。改進后LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)在支路1卡死時，仍能保持支路2運行速度恒定。仿真結(jié)果表明，通過并聯(lián)壓力切斷閥優(yōu)化設(shè)計方案，解決了速度突變的問題，達到了優(yōu)化效果。

圖10 改進前后LUDV系統(tǒng)液壓缸速度變化曲線

3 結(jié)語

本文在對兩種負載敏感回路動態(tài)特性及故障現(xiàn)象分析基礎(chǔ)上，對LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，提出了一種新的支路并聯(lián)壓力切斷閥的改進LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)，并利用AMESim仿真軟件建立仿真模型，進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：通過并聯(lián)壓力切斷閥優(yōu)化設(shè)計方案，解決了LUDV負載敏感液壓系統(tǒng)支路速度突變的問題，達到了優(yōu)化效果。所得結(jié)論為閥后補償負載敏感液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。